Физика почв 26 ноября 2012 ГОДА Романов Олег

Физика почв 26 ноября 2012 ГОДА Романов Олег Вавильевич, к. б. н. , доцент Кафедры почвоведения и экологии почв Биолого-почвенного факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Физико-механические свойства почв

К физико-механическим свойствам почвы относят: 1. Твёрдость (СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕНЕТРАЦИИ) (сопротивление сдавливанию и расклиниванию), 2. 3. 4. Липкость; Пластичность; Набухание

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕНЕТРАЦИИ Сопротивление пенетрации почвы [penetration resistance] – сопротивление почвы внедрению в неё зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра (к. Па или другие единицы давления). Сопротивление пенетрации отлично от величин сопротивления сдавливания и сопротивления сдвига, так как включает оба эти явления в процессе определения сопротивления пенетрации.

Сопротивление пенетрации почвы имеет важное экологическое значение (проникновение корней растений, роющая деятельность почвенной фауны в твёрдой почве затруднены) и играет большую роль при механической обработке почвы. Чем выше твёрдость почвы, тем большее сопротивление оказывает она рабочим органам почвообрабатывающих машин (сопротивление расклиниванию), но тем меньшие требуются тяговые усилия при перекатывании механизмов по поверхности, так как возрастает сопротивление сдавливанию.

Сопротивление пенетрации почвы зависит от её гранулометрического состава и агрегатного состояния, от плотности сложения и влажности, а также от наличия включений – обломков твёрдых горных пород. n При влажности выше границы раскатывания в шнур сопротивление почвы сдавливанию и расклиниванию мало, основные энергетические затраты при обработке таких почв обусловлены прилипанием.

Пенетрометры n Для измерения твёрдости почвы существуют приборы – твердомеры (пенетрометры) разных конструкций, непременными составными частями которых являются пружины с известным усилием сжатия, плунжеры и шкала, измеряющая глубину погружения плунжера.

Микропенетрометр МВ-2 n предназначен для полевого и лабораторного измерения сопротивления расклиниванию песчаных и глинистых пород и почв.

Измерение сопротивление пенетрации проводят послойно. n n Прибор собран в корпусе из металлической трубки, на одном конце которого закреплен опорный диск из пластмассы и плунжер, на другом – пластмассовая ручка. Плунжер шпилькой жёстко соединен со штоком, на который надета пружина, обеспечивающая необходимое для пенетрации усилие. Отсчёт глубины погружения плунжера проводят по миллиметровой шкале, нанесённой на корпусе, с помощью цилиндрического ползунка из плексигласа с круговой чёрной риской. В начальном положении риска совпадает с пулевым делением шкалы. Максимальный ход плунжера 26 мм. При погружении конуса в испытуемый образец, шпилька своим концом, выступающим через продольную прорезь в корпусе, смещает ползунок на соответствующее расстояние. Усилие пружины может регулироваться вращением специальной гайки.

ЛИПКОСТЬ ПОЧВЫ – свойство влажной почвы прилипать к другим телам с различной силой. Липкость почв количественно определяется нагрузкой в г/см 2. требующейся для отрыва металлической пластинки от влажной почвы. Величина её зависит от влажности почвы.

Консистенция почвы - степень подвижности слагающих почву частиц почвы под влиянием внешних механических воздействий при различной влажности почвы. Различают следующие формы консистенции: жидкотекучая, когда почва растекается тонким слоем; n вязкотекучая, когда почва растекается толстым слоем; n липкопластичная, когда почва обладает пластичностью и прилипает к посторонним телам; n вязкопластичная, когда почва обладает пластичностью, но не прилипает к другим телам; n полутвёрдая, когда почва теряет пластичность и делается полутвердой; n твёрдая, когда почва имеет свойства твёрдого тела.

Константы пластичности почвы (син. константы Аттерберга) - условные характеристики консистенции почвы. n n ~ верхний предел пластичности, или предел текучести - весовая влажность почвы, при которой стандартный конус весом 76 г под действием собственного веса погружается в почвенный образец на глубину 1, 0 см.

~ нижний предел пластичности, или предел раскатывания n - весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в жгут диаметром 3 мм без образования в нём разрывов.

~ число пластичности n n - разность между числовыми выражениями верхнего и нижнего пределов пластичности. В зависимости от числа пластичности почвы по классификации Аттерберга разделяются на супеси, пески и глины.

ЛИПКОСТЬ ПОЧВЫ – свойство влажной почвы прилипать к другим телам с различной силой. n Липкость почв количественно определяется нагрузкой в г/см 2 требующейся для отрыва металлической пластинки от влажной почвы. Величина её зависит от влажности почвы.

АДГÉЗИЯ (от лат. adhaesio – прилипание) n n межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы (слипание поверхностей двух разнородных твёрдых или жидких тел). Различают адгезию между двумя жидкостями, между жидкостью и твёрдым телом и между двумя твёрдыми телами.

КОГЕЗИЯ – взаимодействие (сцепление) молекул, атомов, ионов внутри одной фазы (гомогенной части системы). n Слипание (когезия) почвенных частиц может происходить за счёт их непосредственного взаимодействия или при помощи промежуточных веществ (клеев, цементов и т. д. ).

n n Когезия обусловлена межатомным и межмолекулярным взаимодействием различной природы и определяет существование веществ в конденсированном состоянии. Когезионные силы иногда называют силами притяжения. Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, поэтому её могут характеризовать также такие параметры, как энергия кристаллической решётки, внутреннее давление, энергия парообразования, температура кипения, летучесть и др. Для жидкостей и большинства твёрдых тел когезионные силы выражаются в межмолекулярном взаимодействии, обусловленном ван-дерваальсовыми и водородными связями.

n КОНУС БАЛАНСИРОВОЧНЫЙ ВАСИЛЬЕВА. Прибор для определения верхней границы пластичности почвы.

n СВЯЗНОСТЬ ПОЧВЫ. Способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы.

n СДВИГ ПОЧВЫ. Смещение одной части почвы по отношению к другой в результате бокового (тангенциального) давления.

КОНСИСТЕНЦИЯ ПОЧВЫ n степень подвижности слагающих почву частиц под влиянием внешних механических воздействий при различной влажности почвы, обусловленная соотношением когезионных и адгезионных сил [ГОСТ 27593 -88 (СТ СЭВ 5298 -85)].

КОНСТАНТЫ ПЛАСТИЧНОСТИ ПОЧВ n n n 1) верхний предел пластичности или предел текучести – влажность почвы (% от массы), при которой стандартный конус под действием собственного веса (76 г) погружается в образец почвы на глубину 10 см; 2) нижний предел пластичности – влажность (% от массы), при которой образец почвы можно раскатать в жгут диаметром 3 мм без образования в нём разрывов; 3) число пластичности – разность между численными значениями верхнего и нижнего пределов пластичности.

КОНДЕНСАЦИОННОКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ – n n структуры, которые придают телам прочность, хрупкость и не восстанавливаются после их разрушения. Механические свойства конденсационнокристаллизационных структур соответствуют свойствам самих частиц типичны для связнодисперсных систем, т. е. систем с твёрдой дисперсионной средой.

НАБУХАНИЕ ПОЧВЫ увеличение объёма почвы в целом или отдельных структурных элементов при увлажнении [ГОСТ 27593 -88 (СТ СЭВ 5298 -85)].

Набухание – увеличение объёма почвы и грунта в процессе смачивания. В результате гидратации почвенных частиц и образования на поверхности их оболочек рыхло связанной воды уменьшаются силы сцепления между ними, происходит отдаление их друг от друга, что приводит к увеличению общего объёма почвы. Способность почвенных частиц к набуханию связана с гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также с начальной плотностью и влажностью их.

О природе процесса набухания существует несколько теорий. Капиллярная n теория объясняет набухание действием капиллярных сил внутри и на поверхности смачиваемого образца. В основе теории сольватных оболочек представление о двойном электрическом слое как конденсаторе, у которого одна обкладка находится в твёрдой фазе, а другая – в жидкой.

Осмотическая теория n объясняет процесс набухания разностью концентраций растворов. Если концентрация раствора в поровом пространстве выше, чем концентрация окружающего раствора, то происходит набухание, а если ниже – наблюдается сжатие. Эта теория в настоящее время поддерживается многими исследователями.

n Способность почв и грунтов к набуханию можно охарактеризовать nстепенью, влажностью и давлением набухания.

Степень, или деформация набухания определяют изменением объёма, массы или высоты образца: n n Rv = Rp = Rh = где Rv, Rp , Rh, - степень набухания по объёму, массе и высоте образца, %; Vн, Vк – первоначальный и конечный объёмы образца, см 3; pн, pк – первоначальная и конечная массы образца, г; hн, hк – первоначальная и конечная высота образца, см; d – плотность воды, г/см 3.

Влажность набухания n n n – влажность, при которой прекращается поглощение жидкости образцом почвы или грунта, %. Wн = где Wн - влажность набухания, %; pк – масса полностью набухшего образца, г; pс – масса сухого образца, г.

Давление набухания n n n – давление, которое развивается в процессе набухания при отсутствии объёмных деформаций: Pн = где Pн – давление набухания, кг/см 2; F – сила набухания, кг; S – площадь испытуемого образца, см 2.

Из методов определения степени набухания наиболее распространён метод Васильева. n При этом испытуемый образец почвы или грунта помещают в металлическое кольцо между перфорированными пластинами, степень набухания точно фиксируется индикатором (мессурой). Автором метода сконструирован также прибор, принцип устройства которого положен в основу позже предложенных приборов. В СССР промышленностью выпускался серийно прибор ПНГ.

Количественно способность почвы к набуханию можно оценить несколькими показателями:

Усадка